Effetto Doppler in Shift rosso chiaro e blu

Le onde luminose provenienti da una sorgente in movimento sperimentano l'effetto Doppler per provocare uno spostamento rosso o uno spostamento blu nella frequenza della luce. Questo è in un modo simile (anche se non identico) ad altri tipi di onde, come le onde sonore. La differenza principale è che le onde luminose non richiedono un mezzo per viaggiare, quindi l'applicazione classica dell'effetto Doppler non si applica proprio a questa situazione.

Effetto Doppler relativistico per la luce

Considera due oggetti: la sorgente luminosa e l '"ascoltatore" (o osservatore). Poiché le onde luminose che viaggiano nello spazio vuoto non hanno alcun mezzo, analizziamo l'effetto Doppler per la luce in termini di movimento della sorgente rispetto all'ascoltatore.

Abbiamo impostato il nostro sistema di coordinate in modo che la direzione positiva sia dall'ascoltatore verso la fonte. Quindi se la fonte si sta allontanando dall'ascoltatore, la sua velocità v è positivo, ma se si sta spostando verso l'ascoltatore, allora il v è negativo. L'ascoltatore, in questo caso, è sempre considerato a riposo (così v è davvero la velocità relativa totale tra di loro). La velocità della luce c è sempre considerato positivo.

L'ascoltatore riceve una frequenza f_L che sarebbe diverso dalla frequenza trasmessa dalla sorgente f_S. Questo viene calcolato con la meccanica relativistica, applicando la contrazione della lunghezza necessaria e ottiene la relazione:

f_L = sqrt [( c - v) / ( c + v)] * f_S

Spostamento rosso e spostamento blu

Una fonte di luce in movimento lontano dall'ascoltatore (v è positivo) fornirebbe un f_L questo è inferiore a f_S. Nello spettro di luce visibile, ciò provoca uno spostamento verso l'estremità rossa dello spettro di luce, quindi viene chiamato a redshift. Quando la sorgente luminosa si sta muovendo verso l'ascoltatore (v è negativo), quindi f_L è più grande di f_S. Nello spettro di luce visibile, ciò provoca uno spostamento verso l'estremità ad alta frequenza dello spettro di luce. Per qualche ragione, il viola ha l'estremità corta dello stick e tale spostamento di frequenza è in realtà chiamato a spostamento blu. Ovviamente, nell'area dello spettro elettromagnetico al di fuori dello spettro della luce visibile, questi spostamenti potrebbero non essere effettivamente verso il rosso e il blu. Se sei nell'infrarosso, ad esempio, stai ironicamente spostando lontano dal rosso quando si verifica un "redshift".

applicazioni

La polizia usa questa proprietà nei box radar che usa per tracciare la velocità. Le onde radio vengono trasmesse, si scontrano con un veicolo e ritornano indietro. La velocità del veicolo (che funge da sorgente dell'onda riflessa) determina la variazione di frequenza, che può essere rilevata con la scatola. (Applicazioni simili possono essere utilizzate per misurare la velocità del vento nell'atmosfera, che è il "radar Doppler" di cui i meteorologi sono così affezionati.)

Questo spostamento Doppler viene anche utilizzato per tracciare i satelliti. Osservando come cambia la frequenza, è possibile determinare la velocità relativa alla propria posizione, che consente al tracking basato sul terreno di analizzare il movimento degli oggetti nello spazio.

In astronomia, questi spostamenti si dimostrano utili. Quando osservi un sistema con due stelle, puoi capire quale si sta muovendo verso di te e quale via analizzando come cambiano le frequenze.

Ancora più significativo, l'evidenza dell'analisi della luce da galassie distanti mostra che la luce subisce uno spostamento verso il rosso. Queste galassie si stanno allontanando dalla Terra. In effetti, i risultati di questo sono un po 'oltre il semplice effetto Doppler. Questo è in realtà il risultato dell'espansione dello spazio-tempo stesso, come previsto dalla relatività generale. Le estrapolazioni di queste prove, insieme ad altre scoperte, supportano il quadro del "big bang" sull'origine dell'universo.